常温及火灾后异形钢管混凝土短柱轴压力学性能试验研究

李 建

(内蒙古科技大学, 内蒙古 包头 014010)

常温及火灾后异形钢管混凝土短柱轴压力学性能试验研究

李 建

(内蒙古科技大学, 内蒙古 包头 014010)

通过对8根试件中6根受火后的T形钢管混凝土短柱轴及2根未受火T形钢管混凝土短柱轴受力性能的对比试验，分析了混凝土短柱轴火灾后轴压力学性能。试验结果表明，混凝土短柱轴无论受火温度为多少，其荷载随着位移的增加而增加，在增加到一定程度后趋于稳定。随着混凝土应变的增大，尽管受火温度不同，但混凝土短柱的应力均随着应变的增大呈现先增大后减少的趋势。随着火温持续时间的延长，T形钢管混凝土短柱的剪力滞比基本呈上升趋势，当火温持续120 min时，剪力滞比最大值接近7.0。随着挠度的升高，温度随挠度升高而呈非线性增加，在挠度达500 nm后，温度增长速度变快。未受火灾的T形钢管混凝土在混凝土变形ε/με为2000时，荷载出现最大值；而火灾作用后，在ε/με为6000时，荷载出现最大值。

常温； 火灾； 异形钢管； 混凝土； 短柱轴； 压力学

1 概述

当前，学者们对火灾中钢筋混凝土结构性能有关方面的研究主要的研究思路是对比火灾前后其力学性能出现的变化以及混凝土的结构性能变化等[1-3]。钢筋混凝土构件所使用的材料是由两种构成，这两种材料的力学性能存在一定的差异，组合件的作用是要承受不同的荷载，在高温的作用下，钢筋与混凝土两者的粘结力以及各自的力学性能都会相应的减弱，其承载力以及构建截面也会因此而有所降低[4-7]。由于钢筋混凝土结构有自己的特性，在完成弹塑性或塑性后，其构件内力重分布或者是局部截面，火灾发生前后的部位具有不确定性，容易导致多样性及不确定性的结构破坏状态与形式[8]。此外，在火灾发生后，钢筋混凝土中结构上的活荷载会消失，虽然表面上构件和结构并未倒塌破坏，但实际上结构重新承受荷载的能力、耐久性、结构的抗震性能已经发生了变化，必须进行重新鉴定和评估且安全后方可使用[9]。

在中国桥梁建设中，T形梁桥以其结构优势占有绝对数量，因此T 形梁桥发生火灾的概率相对较高，为了减少造成资源浪费，必须要对桥梁火灾很好地把控，因此了解火灾下桥梁结构的力学效应，从而形成整套预测与评价技术是十分必要的[11-13]。异形钢管混凝土柱是组成结构体系的基本构件，为了解火灾下节点及整体结构受力性能，学者们进行了其高温力学性能的研究。以往对异形钢管混凝土力学性能的研究报道非常少，目前我国尚缺乏异形钢管混凝土耐火性能和抗火设计的有关规程或规范，因此有必要开展这方面的研究工作。近几年来，人们越来越重视异形钢管混凝土结构的抗火性能，不断深入研究火灾后钢管混凝土柱残余力学性能。但至今为止，对T形钢管混凝土的研究还很少，本文通过对常温及火灾后异形钢管混凝土短柱轴压力学性能进行分析，研究火灾后对异形钢管混凝土短柱轴压力学性能的影响。

2 试验概况

2.1 试验材料与参数

本试验主要研究常温及火灾后异形钢管混凝土短柱轴的压力学性能，试件采用T异形钢管截面形式(见图1)。主要考虑实验试件受火温度等因素对试件压力学性能的影响，制作了8个试件，其中7 个受火、1个不受火进行对比，表1为试件的相关设计参数。

混凝土原料为河砂、硅酸盐水泥 (P·C32.5R)泥、工业用水、骨料，骨料为 10～25 mm连续级配，堆积密度为1421 kg/m3。混凝土强度等级均为C70，碎石最大粒径为30 mm，堆积密度为1342 kg/m3，混凝土强度为31 MPa。

图1 试件截面示意图(单位: mm)Figure 1 The section sketch of specimen(unit: mm)

按照实验所要求的截面尺寸加工空钢管，保证两端平齐。加工时在钢管等分位置处对称开设两个直径5 mm的圆孔，目的是为了保证火灾升温时混凝土内部水分的散发，防止试件

在高温的作用下出现爆炸现象。此外，为了确保混凝土足够密实，在浇筑的过程中，分三层进行浇筑，浇筑工作完成后，还会采取有关措施将上部分填平，使得混凝土的高度比钢管壁上表面，一般是高出1 mm。养护持续25 d后，再打磨平整混凝土上表面，将另一盖板焊上。

表1 试件相关参数Table1 Themaincorrelatedfactorsofspecimens试件编号钢管尺寸(D/mm×L/mm×H/mm)配合比含钢率/α受火温度T/℃T1155×4×580210∶488∶512∶1120007520T2155×4×580210∶488∶512∶11200075200T3155×4×580210∶488∶512∶11200075300T4155×4×580210∶488∶512∶11200075400T5155×4×580210∶488∶512∶11200075500T6155×4×580210∶488∶512∶11200075600T7155×4×580210∶488∶512∶11200075700T8155×4×580210∶488∶512∶11200075800

表1中的T表示受火时的最高炉温；受火温度分为20、200、300、400、500、600、700、800 ℃共8 个主要参数。这里的T1=20 ℃，即表示常温，本次试验研究的混凝土单位体积质量配合比为水:水泥:砂:骨料为210∶488∶512∶1120。经测定，异形钢管混凝土立方体抗压强度为50.8 MPa，弹性模量为2.64×103 MPa。

2.2 试验过程与加载过程

在常温下，试验首先采用DH3816 对钢管中部表面的环向、纵向应变进行连续观测及静态应变采集。具体测试在混凝土浇筑完成8 h后进行，并对钢管混凝土短柱轴进行25 d的连续应变采集。

在受火过程中，通过分布在RXa — 45 — 9工业电阻炉内的4个热电偶测定炉温，通过置于钢管表面的K型热电偶测定试件表面及核心混凝土的响应温度。升温过程由升温控制系统全程控制，达到预定温度后恒温2 h，于空气中自然冷却，24 h后开始试验，试件的部分升温曲线如图2所示。

图2 试件的升温曲线Figure 2 The temperature rising curve

3 试验结果及分析

3.1 荷载 — 位移关系

图3为受火后试件的荷载 — 位移曲线图，由图3可以看出: T形钢管混凝土短柱轴在常温及受火温度为600、800 ℃时，其荷载随着位移的增加而增加，在增加到一定程度后趋于稳定；其中常温下，在位移大于2 mm后，荷载趋于稳定；600、800 ℃分别在位移大于7、8 mm后，荷载趋于稳定。在位移相同时，常温及受火温度为600、800 ℃的荷载排列顺序为常温、600、800 ℃。所有试件明显的线弹性变形阶段在火灾后轴压试验的加载初期出现，未受火试件的线刚度明显高于同样规格的受火后试件。实验结果说明，火灾温度及自应力明显影响受火后的T形钢管混凝土短柱轴试件线刚度。在加载后期变形已经很大的情况下，荷载仍可稳步上升，这一现象显然受火灾温度的影响较大。

图3 试件受火后荷载 — 位移曲线Figure 3 The load-displacement curves of specimens after fire

3.2 荷载 — 应变关系

图4为火灾后混凝土应力 — 应变关系图，从常温及受火温度为200、300、400、500、600、700、800 ℃的T形钢管混凝土短柱轴的应力 — 应变关系曲线可以看出，随着混凝土应变的增大，尽管受火温度不同，但混凝土短柱的应力均随着应变的增大呈现先增大后减少的趋势。其中，常温及受火温度为200、300、400、500、600、700、800 ℃出现应力最大值分别为35、33、31、26.5、18.7、17、12、8、2.9 MPa。这是由于钢管混凝土的力学性能在高温作用后发生了很大的变化，而且这种变化是与T形钢管及混凝土的相互协同工作密切相关。因此，必须分析T形钢管和混凝土受高温作用后性能发生的变化，通常认为T形钢管在高温后其力学性基本能恢复，与常温条件下相同的屈服极限和弹性模量相比，高温后降低很少，其应力 — 应变关系与常温时的情况差别不大，可表示为理想弹塑性或硬化弹塑性的形式。在常温条件下，T形钢管混凝土短柱轴的强度下降较小，仍保持良好的整体性。火灾后T形钢管混凝土短柱轴的应力 — 应变曲线规律主要表现在：第一，温度越高，混泥土的强度越小，变形的幅度也就越大；第二应力 — 应变在上升的区间其关系会比较接近，不过在下降的区间，其差别会相对比较大；第三温度超过600 ℃以后，应力 — 应变下降段的曲线会比较难得到，下降段的混凝土强度在结构中也很难利用。

图4 火灾后混凝土应力 — 应变关系Figure 4 The stress-strain relationship of concrete after fire

3.3 火温持续对剪力滞比的影响

图5为火温持续对剪力滞比的影响，由图5可以看出: 随着火温持续时间的延长，T形钢管混凝土短柱轴的剪力滞比基本呈上升趋势，当火温持续0～100 min时间内，剪力滞比走势平坦，当火温持续100～120 min时间内，剪力滞比突增；当火温持续120 min时，剪力滞比最大值接近7.0，整个变化过程其增长趋势表现为指数曲线状态，随着火温的持续，所有剪力滞比均大于1.0，同时曲线表现出明显的负剪力滞比分布状态。

图5 火温持续对剪力滞比的影响Figure 5 The effect of fire temperature on shear lag ratio

3.4 挠度与温度的关系

图6(a)为火灾后T形钢管混凝土短柱轴的挠度与温度关系趋势图，由图6(a)可以看出: 随着挠度的增加，温度呈非线性增加，在挠度为20～500 nm，温度增长较慢；在挠度大于500 nm以后，温度增长速度变快，表现为曲线的斜率变大，这主要是由于随温度升高，T形钢管混凝土短柱轴的弹性模量衰减速率增快所致。

3.5 主拉应力与温度的关系

图6(b)为火灾后T形钢管混凝土短柱轴主拉应力与温度关系图，由图6(b)可看出: 主拉应力随着温度升高呈非线性增加，在温度为20～400 ℃时，主拉应力增长较快；在温度大于400 ℃后，主拉应力增长速度变慢，随后趋于平稳，这主要是在200 ℃后，由于混凝土抗拉强度小于T形钢管混凝土短柱轴主拉应力，这时混凝土梁已经开裂，可以预见，混凝土梁随着温度的升高的过早开裂，且比较严重，导致结构损伤破坏，裂缝增多，从而使其承载能力迅速下降。

图6 挠度和主拉应力与温度的关系Figure 6 The relation between deflection & the principal tensile stress and temperature

3.6 荷载 — 变形关系

图7为火灾全过程中T形钢管混凝土短柱轴荷载 — 变形关系全曲线，由图7可以看出: 随着混凝土变形关系的增大，混凝土的荷载呈现先增长随后趋于平稳。其中未受火灾的T形钢管混凝土ε/με为2000时，荷载出现最大值；而火灾作用后，在ε/με为6000时，荷载出现最大值；图7中不难发现: 火灾全过程中，荷载 — 变形关系曲线大致会经历五个阶段： 第一个阶段为起始阶段，温度处于不断上升期，荷载 — 变形关系曲线几乎成线性；第二是受热不断膨胀的阶段，在这个阶段，轴向上的荷载基本保持不变，室内的温度会不断升高，而构件也会因为不断受热的关系而膨胀，平均纵向应变表现为拉应变；第三，是温度逐渐下降的阶段，构件的内部结构整体温度仍然呈上升的趋势，轴向方向上的膨胀会继续向前发展，轴向伸长的值达到最大的时候，该曲线会表现为平均纵向拉应变达到最大值；四是温度继续下降阶段，室内环境温度继续下降，不过构件内部的温度却不会整体开始下降，而构件轴向的伸长量则会慢慢缩小，当室内的温度下降到常温的状态下的时候，构件平均纵向应变仍为拉应变；第五是保持常温的阶段，当室内温度已经到达常温，构件内部的温度则会开始往下降，平均纵向应变由拉应变为压应变，直到构件内部温度又恢复到常温的状态，仍存在残余轴向压缩变形。

图7 火灾全过程荷载 — 变形关系Figure 7 The load-deformation curve of the whole process fire

4 结论

① 混凝土短柱轴的荷载 — 位移表明，无论受火温度为多少，其荷载随着位移的增加而增加，在增加到一定程度后趋于稳定。随着混凝土应变的增大，尽管受火温度不同，但混凝土短柱的应力均随着应变的增大呈现先增大后减少的趋势。

② 随着火温持续时间的延长，T形钢管混凝土短柱轴的剪力滞比基本呈上升趋势，当火温持续0～100 min时间内，剪力滞比走势平坦，当火温持续100～120 min时间内，剪力滞比突增；当火温持续120 min时，剪力滞比最大值接近7.0。在相同温度作用下，随着恒温时间的延长，混凝土的各项力学性能降幅逐渐增大。

③ 随着挠度的升高，温度随挠度升高而呈非线性增加，在挠度为20～500 nm时，温度增长较慢；在挠度大于500 nm后，温度增长速度变快，T形钢管混凝土短柱轴的弹性模量衰减速率增快所致。随着温度的升高，主拉应力呈非线性增加，在温度为20～400 ℃，主拉应力增长较快；在温度达400 ℃后，主拉应力增长速度变慢。

④ 未受火灾的T形钢管混凝土在混凝土变形ε/με为2000时，荷载出现最大值；而火灾作用后，在ε/με为6000时，荷载出现最大值。

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Experimental Study on the Axial Compression Behavior of Special Shaped Steel Tubular Short Columns at Room Temperature and After Fire

LI Jian

(Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou, Inner Mongolia 014010，China)

In this paper, based on 8 specimens of 6 under fire after the T-shaped steel pipe concrete short columns and 2 without fire T-shaped concrete-filled steel tubular short column by the contrast test of mechanical properties, analysis the concrete short columns in fire rear axle pressure performance. The results show that the load of concrete short column increases with the increase of the displacement, and it tends to be stable after increasing to a certain degree. With the increase of concrete strain, the stress of concrete short columns increases first and then decreases with the increase of the strain, even though the temperature of the fire is different. With the extension of the duration of fire temperature, the shear lag ratio of T shaped steel tube concrete short columns is increasing, and the maximum value of the shear lag ratio is close to 7 when the fire temperature is 120 min. With the increase of deflection, the temperature increases with the increase of the deflection, and the temperature increases quickly after the deflection reaches 500 nm. Without fire of T-shaped concrete-filled steel tube in concrete deformation ε/με is 2000, load up to a maximum value; and after fire, at ε/με 6000, the load appears maximum.

normal temperature; fire; special shaped steel tube; concrete; short column shaft; pressure

2016 — 09 — 27

内蒙古科技大学校级重点教学改革项目(30734061)

李 建(1977-)，男，山西大同人，硕士，职称：讲师，研究方向：BIM技术应用、建筑信息化。

U 448.34

A

1674 — 0610(2016)06 — 0089 — 04